CN113308625A - 一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，所述复合粉末由以下重量百分比的原料组成：1~3wt%纳米碳化钨、1~3wt%纳米碳化锆、0.2~0.8wt%P、0.5~2wt%Sr、1~3wt%In、1~4wt%Al、1~4wt%Ti、1~4wt%Mo、0.1~0.8wt%B、0.1~0.8wt%C、余量为Ni。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，尤其涉及一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末。
背景技术
焊接是铝、镁合金零部件高质量连接的有效途径。因为热膨胀系数较高、熔点较低、活性较强、热导率和电导率较高，且高温情况下很容易发生氧化，采用传统熔化焊方法（如氩弧焊等）焊接铝、镁等轻合金时极其容易产生孔洞、夹杂、大变形、裂纹等一系列焊接缺陷。铝、镁等轻合金常规焊接的主要缺点有：（1）易产生晶粒粗化：焊接过程中采用的大功率热源，很容易导致焊缝区域和焊缝附近区域出现金属过烧和晶粒迅速长大现象，降低焊接接头力学性能；（2）易产生焊接变形：焊接时较快的冷却速度和熔池结晶速度，使焊缝内部应力和接头刚性拘束度大增，从而产生较大的焊接变形；（3）易产生氧化或蒸发：采用熔化焊方法焊接铝、镁等轻合金时焊接温度高，很容易生成镁的氧化物或氮化物，严重降低焊接接头的力学性能。此外，常规焊接时电弧温度往往超过2000 ℃，极易造成铝、镁和低熔点合金元素的蒸发；（4）易形成氢气孔：氢来源较广，且氢在铝、镁中的溶解度会随温度降低而迅速减小，所以铝、镁合金熔化焊焊缝内极易形成氢气孔；（5）易产生热裂纹：在熔化焊时，铝、镁等轻合金由于低熔点共晶化合物的存在而很容易出现热裂纹，严重影响焊接接头性能。
与传统的熔化焊接技术（如氩弧焊等）相比，作为固相焊接技术的搅拌摩擦焊接在技术优势、经济性优势以及环境保护优势主要体现在以下几点：（1）焊接温度低，热影响区组织变化小，残余应力较小，被焊工件变形较小；（2）接头机械性能好（包括疲劳、拉伸、弯曲），不产生类似熔焊接头的凝固裂纹、气孔和氧化等缺陷，且其组织因塑性流动而得到细化，还能一次完成较长的、大截面的或不同位置的焊接，获得形式多样化的可靠焊接接头；（3）可焊热裂纹敏感材料等特殊材料，适合某些特种材料的焊接；（4）焊接时无需填充材料、保护气体，也不需加工坡口、焊前焊后处理简单；（5）焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等，是一种绿色焊接方法； （6）适应性广、操作方便，易于实现机械化、自动化，成本低，具有高效、节能等诸多独特的优点。
搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，被誉为搅拌摩擦焊的心脏。搅拌头的好坏不仅决定了搅拌摩擦焊接头的性能，而且决定着搅拌摩擦焊的生产成本。搅拌头由轴肩、夹持部分和搅拌针组成。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌针要旋转着插入被焊材料的结合界面处，并在一定速度下沿着焊缝前进。因此，在搅拌摩擦焊时搅拌头的工作环境较为恶劣，对耐磨损性能，尤其是高温耐磨损性能要求高。表面处理是提高搅拌头耐磨损性能的有效途径。
申请号为CN201510485188.8的中国发明专利公开了一种提高铜合金表面性能的方法和装置，其实质就是先对铜合金表面进行真空加热，然后通过搅拌摩擦加工表面技术对加热后的铜合金表面进行搅拌挤压表面，形成一层硬化层以提高铜合金表面性能，同时通过特制的搅拌头实现搅拌加铣削复合加工方法，既保证了表面的加工质量又大大提高了加工效率。最后将表面加工后的工件放到研磨机构上进行磨削加工，获得较光整的铜合金表面。所述搅拌头上设有刀片，刀片表面设有耐磨损材料层，主要成分为：铁20-30%，钛10-15%，钴5-10%，钨40-60%，钒5-10%，镍10-25%和微量稀土元素1%。但是上述耐磨损材料层是设有刀片上的，并不是用于搅拌摩擦焊接用搅拌头表面处理用的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末。本发明的合金粉对搅拌摩擦焊接用搅拌头进行表面处理后，能够显著提高搅拌头在室温和高温下的耐磨损性能，从而延长搅拌头的使用寿命，提高企业生产效率，降低企业生产成本。
本发明的具体技术方案为：一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，由以下重量百分比的原料组成：1~3wt%纳米碳化钨、1~3wt%纳米碳化锆、0.2~0.8wt%P、0.5~2wt%Sr、1~3wt%In、1~4wt%Al、1~4wt%Ti、1~4wt%Mo、0.1~0.8wt%B、0.1~0.8wt%C、余量为Ni。
本发明对合金粉中各元素的含量进行了严格调控，使用前将所述提高搅拌头耐磨损性能的改性复合粉末各组份混合均匀，可采用超声振动、机械球磨等方式，使纳米碳化钒均匀分散在合金粉中，以提高涂层的改性效果。选用激光熔敷方法，用所述提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末对所述搅拌头进行表面处理，激光熔敷在专用的激光熔敷设备或者激光加工系统上进行，选用的激光熔敷工艺参数为：光斑直径1~3mm、气体流量10~30L/min、搭接率25~45%、激光功率1~4kW、扫描速度2~8mm/s。
用该合金粉通过激光熔敷的方式对搅拌头进行表面处理后，能够显著提高搅拌头在室温和高温下的耐磨损性能，从而延长搅拌头的使用寿命。其中，在合金粉中：
纳米碳化钨和纳米碳化锆的主要作用是在提高表面处理涂层的硬度和耐磨损性能的同时，使表面处理涂层具有良好的抗高温氧化性和韧性。
磷（P）和锶（Sr）的主要作用是进一步提高表面处理涂层的高温抗氧化性能，增强搅拌头的高温耐磨损性能。
铟（In）的主要作用是进一步改善表面处理涂层的韧性。
铝（Al）和钛（Ti）的主要作用是形成金属间化合物，实现沉淀强化。
钼（Mo）的主要作用是使表面处理涂层在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。
硼（B）的主要作用是一方面作为脱氧剂和自熔剂，增加润湿性，另一方面通过固熔强化和弥散强化提高表面处理涂层的硬度和耐磨性。
碳（C）的主要作用是获得高硬度的碳化物,形成弥散强化相,进一步提高表面处理涂层的耐磨损性能。
作为优选，所述复合粉末进行所述表面处理的搅拌头由热作模具钢、钨铼合金、高速钢组成。
作为优选，所述复合粉末通过激光熔敷的方式对搅拌头进行表面处理。
作为优选，所述复合粉末由以下重量百分比的原料组成：1.2~2.8wt%纳米碳化钨、1.2~2.8wt%纳米碳化锆、0.3~0.7wt%P、0.8~1.8wt%Sr、1.2~2.8wt%In、1.2~3.8wt%Al、1.2~3.8wt%Ti、1.2~3.8wt%Mo、0.2~0.7wt%B、0.2~0.7wt%C、余量为Ni。
作为优选，所述复合粉末由以下重量百分比的原料组成：1.4~2.6wt%纳米碳化钨、1.4~2.6wt%纳米碳化锆、0.4~0.6wt%P、0.9~1.6wt%Sr、1.3~2.7wt%In、1.3~3.7wt%Al、1~3.7wt%Ti、1.3~3.7wt%Mo、0.3~0.6wt%B、0.3~0.6wt%C、余量为Ni。
作为优选，所述复合粉末激光熔敷时选用的工艺参数为：光斑直径1.5~2.5mm、气体流量12~24L/min、搭接率28~40%、激光功率1.5~3kW、扫描速度3~6mm/s。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明的复活粉末对搅拌头进行表面处理后，能够显著提高搅拌头在室温和高温下的耐磨损性能，从而延长搅拌头的使用寿命，提高企业生产效率，降低企业生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，由以下重量百分比的原料组成：1~3wt%纳米碳化钨、1wt%纳米碳化锆、0.2wt%P、0.5wt%Sr、1wt%In、1wt%Al、1wt%Ti、1wt%Mo、0.1wt%B、0.1wt%C、余量为Ni。
实施例2
一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，由以下重量百分比的原料组成： 3wt%纳米碳化钨、3wt%纳米碳化锆、0.8wt%P、2wt%Sr、3wt%In、4wt%Al、4wt%Ti、4wt%Mo、0.8wt%B、0.8wt%C、余量为Ni。
实施例3
一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，由以下重量百分比的原料组成：1.2wt%纳米碳化钨、1.5wt%纳米碳化锆、0.4wt%P、1.0wt%Sr、1.2wt%In、1.6wt%Al、2wt%Ti、2wt%Mo、0.4wt%B、0.3wt%C、余量为Ni。
实施例4
一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，由以下重量百分比的原料组成：1.8wt%纳米碳化钨、1.8wt%纳米碳化锆、0.6wt%P、1.6wt%Sr、2.1wt%In、2.5wt%Al、2.2wt%Ti、2.4wt%Mo、0.5wt%B、0.4wt%C、余量为Ni。
实施例5
一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，由以下重量百分比的原料组成：2.2wt%纳米碳化钨、2.5wt%纳米碳化锆、0.6wt%P、1.8wt%Sr、2.5wt%In、2.8wt%Al、2.8wt%Ti、2.5wt%Mo、0.6wt%B、0.5wt%C、余量为Ni。
将实施例1-5的一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末对H13钢搅拌头进行激光熔敷表面处理，然后进行性能检测。激光熔敷在HUST-JKR5170型激光加工系统上进行，主要的工艺参数为：光斑直径2.2mm、气体流量18L/min、搭接率38%、激光功率2.8kW、扫描速度3.5mm/s。分别经过实施例1-5的合金粉激光熔敷处理的搅拌头，与激光熔敷处理前的搅拌头，在同一摩擦磨损试验机上分别进行25℃室温和500℃高温摩擦磨损试验。摩擦磨损试验的主要参数：磨损转速2000r/min，磨损时间15min，相对滑动速度90mm/min，对磨材料为搅拌头本体材料，干磨。试验数据对比结果如表所示：
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，其特征在于由以下重量百分比的原料组成：1~3wt%纳米碳化钨、1~3wt%纳米碳化锆、0.2~0.8wt%P、0.5~2wt%Sr、1~3wt%In、1~4wt%Al、1~4wt%Ti、1~4wt%Mo、0.1~0.8wt%B、0.1~0.8wt%C、余量为Ni。
2.如权利要求1所述的一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，其特征在于由以下重量百分比的原料组成：1.2~2.8wt%纳米碳化钨、1.2~2.8wt%纳米碳化锆、0.3~0.7wt%P、0.8~1.8wt%Sr、1.2~2.8wt%In、1.2~3.8wt%Al、1.2~3.8wt%Ti、1.2~3.8wt%Mo、0.2~0.7wt%B、0.2~0.7wt%C、余量为Ni。
3.如权利要求2所述的一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，其特征在于由以下重量百分比的原料组成：1.4~2.6wt%纳米碳化钨、1.4~2.6wt%纳米碳化锆、0.4~0.6wt%P、0.9~1.6wt%Sr、1.3~2.7wt%In、1.3~3.7wt%Al、1~3.7wt%Ti、1.3~3.7wt%Mo、0.3~0.6wt%B、0.3~0.6wt%C、余量为Ni。
4.如权利要求1所述的一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，其特征在于，所述搅拌头由热作模具钢、钨铼合金、高速钢组成。
5.如权利要求1所述的一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，其特征在于，所述复合粉末通过激光熔敷的方式对搅拌头进行表面处理。
6.如权利要求1所述的一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，其特征在于，选用激光熔敷方法，用所述提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末对所述搅拌摩擦头进行表面处理，选用的激光熔敷工艺参数为：光斑直径1~3mm、气体流量10~30L/min、搭接率25~45%、激光功率1~4kW、扫描速度2~8mm/s。
7.如权利要求6所述的一种提高搅拌头耐磨损性能的复合粉末，其特征在于所述激光熔敷工艺参数优选为：光斑直径1.5~2.5mm、气体流量12~24L/min、搭接率28~40%、激光功率1.5~3kW、扫描速度3~6mm/s。
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